В науке о цвете цветовая модель — это абстрактная математическая модель, описывающая способ представления цветов в виде кортежей чисел, обычно в виде трех или четырех значений или цветовых компонентов. Когда эта модель связана с точным описанием того, как должны интерпретироваться компоненты (условия просмотра и т. д.), принимая во внимание визуальное восприятие , результирующий набор цветов называется « цветовым пространством ».
В этой статье описываются способы моделирования цветового зрения человека , а также обсуждаются некоторые из наиболее часто используемых моделей.
Можно представить это пространство как область в трехмерном евклидовом пространстве , если отождествить оси x , y и z со стимулами для длинноволновых ( L ), средневолновых ( M ) и коротковолновых ( S ) световых рецепторов . Начало координат ( S , M , L ) = (0,0,0) соответствует черному цвету. Белый цвет не имеет определенного положения на этой диаграмме; скорее он определяется в соответствии с цветовой температурой или балансом белого по желанию или по мере доступности от окружающего освещения. Цветовое пространство человека представляет собой подковообразный конус, такой как показанный здесь (см. также диаграмму цветности CIE ниже), простирающийся от начала координат до, в принципе, бесконечности. На практике цветовые рецепторы человека будут насыщены или даже повреждены при чрезвычайно высокой интенсивности света, но такое поведение не является частью цветового пространства CIE , как и изменение восприятия цвета при низких уровнях освещенности (см.: кривая Круитхофа ). Наиболее насыщенные цвета расположены на внешнем крае области, а более яркие цвета находятся дальше от источника. Что касается реакций рецепторов глаза, то не существует такого понятия, как «коричневый» или «серый» свет. Последние названия цветов относятся к оранжевому и белому свету соответственно, с интенсивностью, которая ниже, чем свет из окружающих областей. Это можно наблюдать, наблюдая за экраном проектора во время встречи: вы видите черные буквы на белом фоне, хотя «черный» на самом деле не стал темнее белого экрана, на который он проецируется до включения проектора. «Черные» области на самом деле не стали темнее, а кажутся «черными» относительно более интенсивного «белого», проецируемого на экран вокруг него. См. также постоянство цвета .
Человеческое трехцветное пространство обладает свойством, что аддитивное смешивание цветов соответствует добавлению векторов в этом пространстве. Это позволяет, например, легко описывать возможные цвета ( гамму ), которые могут быть построены из красного, зеленого и синего основных цветов на дисплее компьютера.
Одним из первых математически определенных цветовых пространств является цветовое пространство CIE XYZ (также известное как цветовое пространство CIE 1931), созданное Международной комиссией по освещению в 1931 году. Эти данные были измерены для наблюдателей-людей и поля зрения в 2 градуса. В 1964 году были опубликованы дополнительные данные для поля зрения в 10 градусов.
Обратите внимание, что табличные кривые чувствительности имеют определенную долю произвольности. Формы отдельных кривых чувствительности X, Y и Z можно измерить с разумной точностью. Однако общая функция светимости (которая на самом деле является взвешенной суммой этих трех кривых) субъективна, поскольку она подразумевает вопрос к испытуемому, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если они совершенно разных цветов. В том же духе относительные величины кривых X, Y и Z выбираются произвольно, чтобы получить равные площади под кривыми. Можно также определить действительное цветовое пространство с помощью кривой чувствительности X, которая имеет вдвое большую амплитуду. Это новое цветовое пространство будет иметь другую форму. Кривые чувствительности в цветовом пространстве CIE 1931 и 1964 xyz масштабируются, чтобы иметь равные площади под кривыми.
Иногда цвета XYZ представлены координатами яркости Y и цветности x и y , определяемыми следующим образом:
Математически x и y являются проективными координатами, а цвета диаграммы цветности занимают область действительной проективной плоскости . Поскольку кривые чувствительности CIE имеют равные площади под кривыми, свет с плоским энергетическим спектром соответствует точке ( x , y ) = (0,333,0,333).
Значения X , Y и Z получаются путем интегрирования произведения спектра светового луча и опубликованных функций сопоставления цветов.
RYB — это субтрактивная цветовая модель, используемая в искусстве и прикладном дизайне, в которой красный , желтый и синий пигменты считаются основными цветами . [1] [2] Цветовая модель RYB относится конкретно к цвету в форме нанесения краски и пигмента в искусстве и дизайне. [3] [4] [5] Другие распространенные цветовые модели включают световую модель (RGB) и цветовую модель краски, пигмента и чернил CMY , которая намного точнее с точки зрения цветовой гаммы и интенсивности по сравнению с традиционной цветовой моделью RYB, которая появилась вместе с цветовой моделью CMYK в полиграфической промышленности. [6] [7] Эту модель использовал для печати Якоб Кристоф Ле Блон в 1725 году и назвал ее Coloritto или гармония окраски , [8] заявив, что примитивными (основными) цветами являются желтый, красный и синий, а вторичными — оранжевый, зеленый и фиолетовый или фиолетовый . [9] [10]
Средства массовой информации, передающие свет (например, телевидение), используют аддитивное смешивание цветов с основными цветами : красным , зеленым и синим , каждый из которых стимулирует один из трех типов цветовых рецепторов глаза с минимальной стимуляцией двух других. Это называется цветовым пространством « RGB ». Смеси света этих основных цветов покрывают большую часть цветового пространства человека и, таким образом, производят большую часть цветовых ощущений человека. Вот почему цветные телевизоры или цветные компьютерные мониторы должны производить только смеси красного, зеленого и синего света. См. Аддитивный цвет .
В принципе можно использовать и другие основные цвета, но с красным, зеленым и синим можно охватить большую часть человеческого цветового пространства. К сожалению, нет точного консенсуса относительно того, какие локусы на диаграмме цветности должны иметь красный, зеленый и синий цвета, поэтому одни и те же значения RGB могут давать немного разные цвета на разных экранах.
RGB — это цветовая модель , зависящая от устройства : разные устройства по-разному распознают или воспроизводят заданное значение RGB, поскольку цветовые элементы (такие как люминофоры или красители ) и их реакция на отдельные уровни красного, зеленого и синего различаются у разных производителей или даже в одном и том же устройстве с течением времени. [11] [12] Таким образом, значение RGB не определяет один и тот же цвет на разных устройствах без какого-либо управления цветом . [13]
Можно получить широкий спектр цветов, которые видит человек, комбинируя прозрачные красители/чернила голубого , пурпурного и желтого цветов на белой подложке. Это субтрактивные основные цвета . Часто добавляются четвертые чернила, черные , для улучшения воспроизведения некоторых темных цветов. Это называется цветовым пространством «CMY» или «CMYK».
Голубые чернила поглощают красный свет, но пропускают зеленый и синий, пурпурные чернила поглощают зеленый свет, но пропускают красный и синий, а желтые чернила поглощают синий свет, но пропускают красный и зеленый. Белая подложка отражает пропущенный свет обратно к зрителю. Поскольку на практике чернила CMY, пригодные для печати, также отражают немного цвета, что делает глубокий и нейтральный черный невозможным, компонент K (черные чернила), обычно печатаемый последним, необходим для компенсации их недостатков. Использование отдельных черных чернил также экономически обосновано, когда ожидается много черного контента, например, в текстовых носителях, чтобы сократить одновременное использование трех цветных чернил. Красители, используемые в традиционных цветных фотоотпечатках и слайдах , гораздо более прозрачны, поэтому компонент K обычно не нужен или не используется в этих носителях.
Существует ряд цветовых моделей, в которых цвета вписываются в конические , цилиндрические или сферические формы, с нейтральными цветами, идущими от черного к белому вдоль центральной оси, и оттенками, соответствующими углам по периметру. Композиции этого типа восходят к 18 веку и продолжают развиваться в самых современных и научных моделях.
Различные теоретики цвета разработали уникальные цветовые тела . Многие из них имеют форму сферы , тогда как другие представляют собой деформированные трехмерные эллипсоидные фигуры — эти вариации были разработаны для более четкого выражения некоторых аспектов взаимосвязи цветов. Цветовые сферы, задуманные Филиппом Отто Рунге и Йоханнесом Иттеном, являются типичными примерами и прототипами для многих других схем цветовых тел. [14] Модели Рунге и Иттена в основном идентичны и составляют основу для описания ниже.
Чистые, насыщенные оттенки одинаковой яркости расположены вокруг экватора на периферии цветовой сферы. Как и в цветовом круге, контрастные (или дополнительные) оттенки расположены друг напротив друга. Двигаясь к центру цветовой сферы на экваториальной плоскости, цвета становятся все менее и менее насыщенными, пока все цвета не встретятся на центральной оси как нейтральный серый . Двигаясь вертикально в цветовой сфере, цвета становятся светлее (кверху) и темнее (книзу). На верхнем полюсе все оттенки встречаются в белом; на нижнем полюсе все оттенки встречаются в черном.
Вертикальная ось цветовой сферы, таким образом, серая по всей длине, варьируясь от черного внизу до белого вверху. Все чистые (насыщенные) оттенки расположены на поверхности сферы, варьируясь от светлого до темного вниз по цветовой сфере. Все нечистые (ненасыщенные оттенки, созданные путем смешивания контрастных цветов) составляют внутреннюю часть сферы, также изменяясь по яркости сверху вниз.
HSL и HSV — это цилиндрические геометрии, с оттенком, их угловым измерением, начинающимся с красного основного цвета в 0°, проходящим через зеленый основной цвет в 120° и синий основной цвет в 240°, а затем возвращающимся обратно к красному цвету в 360°. В каждой геометрии центральная вертикальная ось включает нейтральные , ахроматические или серые цвета, варьирующиеся от черного при яркости 0 или значении 0, внизу, до белого при яркости 1 или значении 1, вверху.
Большинство телевизоров, компьютерных дисплеев и проекторов воспроизводят цвета путем комбинирования красного, зеленого и синего света различной интенсивности — аддитивные основные цвета RGB . Однако взаимосвязь между составляющими количествами красного, зеленого и синего света и результирующим цветом неочевидна, особенно для неопытных пользователей и для пользователей, знакомых с субтрактивным смешиванием цветов красок или традиционными моделями художников, основанными на оттенках и тенях.
В попытке приспособить более традиционные и интуитивные модели смешивания цветов пионеры компьютерной графики в PARC и NYIT разработали [ необходимо дополнительное объяснение ] модель HSV в середине 1970-х годов, формально описанную Элви Рэем Смитом [16] в выпуске Computer Graphics за август 1978 года . В том же выпуске Джоблав и Гринберг [17] описали модель HSL, измерения которой они обозначили как оттенок , относительная цветность и интенсивность , и сравнили ее с HSV. Их модель была основана больше на том, как цвета организованы и концептуализированы в человеческом зрении с точки зрения других цветообразующих атрибутов, таких как оттенок, светлота и цветность; а также на традиционных методах смешивания цветов, например, в живописи, которые включают смешивание ярких пигментов с черным или белым для получения более светлых, темных или менее красочных цветов.
В следующем, 1979 году, на SIGGRAPH , Tektronix представила графические терминалы, использующие HSL для обозначения цвета, и Комитет по стандартам компьютерной графики рекомендовал их в своем ежегодном отчете о состоянии. Эти модели были полезны не только потому, что они были более интуитивными, чем необработанные значения RGB, но и потому, что преобразования в RGB и из RGB были чрезвычайно быстрыми для вычисления: они могли работать в реальном времени на оборудовании 1970-х годов. Следовательно, эти модели и подобные им стали повсеместными в программном обеспечении для редактирования изображений и графики с тех пор.
Другая влиятельная старая цилиндрическая цветовая модель — это цветовая система Манселла начала 20-го века . Альберт Манселл начал со сферического расположения в своей книге 1905 года «A Color Notation» , но он хотел правильно разделить атрибуты, создающие цвет, на отдельные измерения, которые он назвал тон , значение и цветность , и после проведения тщательных измерений перцептивных реакций он понял, что никакая симметричная форма не подойдет, поэтому он реорганизовал свою систему в комковатую каплю. [18] [19] [A]
Система Манселла стала чрезвычайно популярной, фактическим эталоном для американских цветовых стандартов — используемым не только для указания цвета красок и мелков, но также, например, для указания цвета электрических проводов, пива и почвы — потому что она была организована на основе перцептивных измерений, задавала цвета с помощью легко запоминаемой и систематической тройки чисел, потому что цветовые пластины, продаваемые в « Книге цветов Манселла», охватывали широкую гамму и оставались стабильными с течением времени (а не выцветали), и потому что она эффективно продвигалась компанией Манселла . В 1940-х годах Оптическое общество Америки провело обширные измерения и скорректировало расположение цветов Манселла, выпустив набор «перенотаций». Проблема с системой Манселла для приложений компьютерной графики заключается в том, что ее цвета не задаются с помощью какого-либо набора простых уравнений, а только с помощью ее основополагающих измерений: по сути, это справочная таблица . Преобразование из RGB ↔ Munsell требует интерполяции между записями этой таблицы и является чрезвычайно затратным с точки зрения вычислений по сравнению с преобразованием из RGB ↔ HSL или RGB ↔ HSV , которое требует всего лишь нескольких простых арифметических операций. [20] [21] [22] [23]
Шведская система естественных цветов (NCS), широко используемая в Европе, использует подход, аналогичный биконусу Оствальда справа. Поскольку она пытается втиснуть цвет в знакомую форму твердого тела на основе « феноменологических », а не фотометрических или психологических характеристик, она страдает от некоторых из тех же недостатков, что и HSL и HSV: в частности, ее измерение светлоты отличается от воспринимаемой светлоты, поскольку она заставляет красочные желтый, красный, зеленый и синий цвета помещаться в плоскость. [24]
В денситометрии модель, очень похожая на оттенок, определенный выше, используется для описания цветов чернил процесса CMYK . В 1953 году Фрэнк Прейсил разработал два геометрических расположения оттенка, «круг оттенка Прейсила» и «шестиугольник оттенка Прейсила», аналогичные нашим H и H 2 соответственно, но определенные относительно идеализированных голубого, желтого и пурпурного цветов чернил. « Ошибка оттенка Прейсила » чернил указывает на разницу в «круге оттенка» между его цветом и оттенком соответствующего идеализированного цвета чернил. Серость чернил равна m / M , где m и M — минимальное и максимальное значения среди количеств идеализированных голубого, пурпурного и желтого в измерении плотности. [25]
Международная комиссия по освещению (CIE) разработала модель XYZ для описания цветов световых спектров в 1931 году, но ее целью было соответствие метамерии человеческого зрения , а не достижение перцептуально однородного геометрического вида. В 1960-х и 1970-х годах были предприняты попытки преобразовать цвета XYZ в более соответствующую геометрию под влиянием системы Манселла. Эти усилия достигли кульминации в моделях CIELUV и CIELAB 1976 года . Размеры этих моделей — ( L *, u *, v *) и ( L *, a *, b *) соответственно — являются декартовыми, основанными на теории оппонирующего процесса цвета, но обе также часто описываются с использованием полярных координат — ( L *, C * uv , h * uv ) и ( L *, C * ab , h * ab ) соответственно — где L * — светлота, C * — насыщенность, а h * — угол оттенка. Официально и CIELAB, и CIELUV были созданы для их метрик цветового различия ∆ E * ab и ∆ E * uv , в частности для использования, определяющего цветовые допуски, но обе стали широко использоваться в качестве систем порядка цветов и моделей внешнего вида цвета, в том числе в компьютерной графике и компьютерном зрении. Например, отображение гаммы в управлении цветом ICC обычно выполняется в пространстве CIELAB, а Adobe Photoshop включает режим CIELAB для редактирования изображений. Геометрии CIELAB и CIELUV гораздо более перцептивно релевантны, чем многие другие, такие как RGB, HSL, HSV, YUV/YIQ/YCbCr или XYZ, но не являются перцептивно идеальными и, в частности, испытывают трудности с адаптацией к необычным условиям освещения. [20] [26] [27] [24] [28] [29] [B]
Цветовое пространство HCL , по-видимому, является синонимом CIELCH.
Последняя модель CIE, CIECAM02 (CAM означает «color appearance model»), является более теоретически сложной и вычислительно сложной, чем предыдущие модели. Ее цель — исправить несколько проблем с такими моделями, как CIELAB и CIELUV, и объяснить не только реакции в тщательно контролируемых экспериментальных средах, но и смоделировать цветовой внешний вид реальных сцен. Ее измерения J (яркость), C (цветность) и h (оттенок) определяют геометрию полярных координат. [20] [24]
Существуют различные типы цветовых систем, которые классифицируют цвета и анализируют их эффекты. Американская цветовая система Манселла, разработанная Альбертом Х. Манселлом, является известной классификацией, которая организует различные цвета в цветовое пространство на основе оттенка, насыщенности и значения. Другие важные цветовые системы включают Шведскую естественную цветовую систему (NCS), Единое цветовое пространство Оптического общества Америки ( OSA-UCS) и венгерскую систему Coloroid , разработанную Анталом Немчичем из Будапештского университета технологий и экономики . Из них NCS основана на цветовой модели оппонентного процесса , в то время как Манселл, OSA-UCS и Coloroid пытаются моделировать однородность цвета. Американская Pantone и немецкая RAL коммерческие системы подбора цветов отличаются от предыдущих тем, что их цветовые пространства не основаны на базовой цветовой модели.
Мы также используем «цветовую модель» для обозначения модели или механизма цветового зрения для объяснения того, как цветовые сигналы обрабатываются от зрительных колбочек до ганглиозных клеток. Для простоты мы называем эти модели моделями цветового механизма. Классическими моделями цветового механизма являются трихроматическая модель Юнга – Гельмгольца и модель оппонентного процесса Геринга . Хотя изначально считалось, что эти две теории противоречат друг другу, позже стало понятно, что механизмы, отвечающие за цветовую оппонентность, получают сигналы от трех типов колбочек и обрабатывают их на более сложном уровне. [30] Широко принятая модель называется зональной моделью. Симметричная зональная модель, совместимая с трихроматической теорией, оппонентной теорией и моделью преобразования цвета Смита, называется моделью декодирования [31]
Позвоночные животные изначально были тетрахроматическими . Они обладали четырьмя типами колбочек — длинноволновыми, средневолновыми, коротковолновыми и ультрафиолетово-чувствительными колбочками. Сегодня рыбы, амфибии, рептилии и птицы — все тетрахроматические. Плацентарные млекопитающие утратили как средневолновые, так и коротковолновые колбочки. Таким образом, у большинства млекопитающих нет сложного цветового зрения — они дихроматичны , но чувствительны к ультрафиолетовому свету, хотя и не могут видеть его цвета. Человеческое трихроматическое цветовое зрение — это недавнее эволюционное новшество, которое впервые развилось у общего предка приматов Старого Света. Наше трихроматическое цветовое зрение развилось путем дублирования длинноволнового чувствительного опсина , обнаруженного на Х-хромосоме. Одна из этих копий эволюционировала, чтобы быть чувствительной к зеленому свету, и составляет наш средневолновой опсин. В то же время наш коротковолновый опсин произошел от ультрафиолетового опсина наших позвоночных и млекопитающих предков.
Человеческая красно-зеленая слепота возникает из-за того, что две копии генов красного и зеленого опсина находятся в непосредственной близости на Х-хромосоме. Из-за частой рекомбинации во время мейоза эти пары генов могут легко перестраиваться, создавая версии генов, которые не имеют четкой спектральной чувствительности.
